Fyzikální principy

Všechny jaderné reakce se odehrávají v atomovém jádru – červená, hodně zvětšená část atomu

Základní částicí hmoty je atom. Pro jadernou energetiku je již podle názvu důležitá jen jeho malá centrální část, jádro atomu. Skládá se z kladně nabitých protonů (jejich počet udává atomové nebo též protonové číslo) a neutronů bez náboje a jejich počet je charakteristický pro každý izotop libovolného prvku. V jaderné energetice současnosti je pozornost věnována hlavně těžkým prvkům, které umožňují využít fyzikální proces štěpení jader k uvolnění energie. Nejvýznamnějšími zástupci štěpitelných materiálů jsou izotopy uranu, thoria a plutonia. Relativně dobře dostupný uran má v přírodě dva izotopy ₉₂U²³⁵ a ₉₂U²³⁸.

Vazebná energie

Částice v jádru udržují pohromadě přitažlivé jaderné síly velmi krátkého dosahu. Aby bylo možné jádro rozdělit na samostatné nukleony, je nutné jádru dodat určitou porci energie (zvané vazebná) na překonání těchto jaderných sil. Vazebná energie jádra E_j [MeV] je přímo úměrná hmotnostnímu schodku B [kg] – rozdílu mezi sumární hmotností všech nukleonů v jádře m_A [kg] a skutečnou klidovou hmotností jádra m_j [kg].

m_A = Z . m_p + N . m_n

B = m_A − m_j ; E_j = B . c²

Kde:

Z, N – počet protonů, resp. neutronů
m_p, m_n – hmotnosti protonu, resp. neutronu [kg]
c – rychlost světla [m.s⁻¹]

Vazebná energie jednoho nukleonu v jádře je maximální pro prvky s atomovým číslem kolem 60 (železo)

Důležitým parametrem je vazebná energie jádra izotopu na jeden nukleon e_j [MeV]. Stabilní jádra mají vyšší hodnoty e_j, uvolněná energie při štěpení souvisí se zvýšením stability jádra a zvýšením parametru e_j.

Štěpení jader uranu

Z energetického hlediska je důležitý izotop uranu ²³⁵U. Při interakci s pomalým neutronem se jeho jádro rozdělí na dva (někdy i více) štěpné produkty (fragmenty F1 a F2) a přitom se uvolní 2 až 3 neutrony. Přibližný zápis rovnice štěpení:

²³⁵U + ¹n = ^XF1 + ^YF2 + 3 ¹n

Při rozštěpení jednoho jádra uranu se uvolní asi 200 MeV energie (32 pJ), 4/5 z toho připadá na kinetickou energii od sebe se vzdalujících fragmentů štěpení ^XF1, ^YF2. Zbrzděním fragmentů se pohybová energie předává okolním atomům prostředí a mění se na energii tepelnou. Zbývající 1/5 energie připadá na záření gama, kinetickou energii neutronů a na beta a gama rozpad štěpných produktů.

Pro reakci štěpení je důležité, aby se potkal zpomalený neutron s jádrem štěpitelného materiálu, třeba uranu U²³⁵

Neutrony opouštějící reakci štěpení mají vysokou energii (rychlost) a pravděpodobnost, že se další jádra těmito neutrony rozdělí, je malá. Její hodnota se ovšem zvyšuje s klesající energií neutronů. Pro kontinuální průběh reakce štěpení (zřetězení štěpných reakcí) musí být rychlé neutrony srážkami s jádry lehkých prvků zpomalovány. Látky účinně zpomalující neutrony se nazývají moderátory. K nejpoužívanějším patří obyčejná voda H₂O (VVER), těžká voda D₂O a uhlík C¹².

Řízení reakce

Pro stabilní výkon reaktoru je důležité, aby se počet štěpících neutronů v čase neměnil. O stavu řízené řetězové reakce vypovídá tzv. multiplikační koeficient k, který je definován jako poměr počtu štěpících neutronů nové generace a předchozí generace N_nové/N_minulé. Když je koeficient roven 1, je reaktor v kritickém stavu (počet neutronů se nemění). Pokud je koeficient k < 1, je reaktor podkritický (počet neutronů klesá), při k > 1 je reaktor nadkritický (počet neutronů v čase roste).

Hlavní roli v řízení štěpné reakce hrají neutrony

V praxi se častěji používá pojem reaktivity reaktoru ρ – míry odchýlení jaderného reaktoru od kritického stavu. Záporná reaktivita znamená podkritický reaktor, kladná nadkritický. Kritický reaktor má nulovou reaktivitu. Hodnota reaktivity je definována jako relativní přírůstek neutronů:

ρ = (k_ef − 1) / k_ef

Kde:

k_ef – efektivní multiplikační koeficient reálného reaktoru.

Kromě multiplikačního koeficientu mají na hodnotu reaktivity vliv ještě další fyzikální parametry aktivní zóny: aktuální výkon reaktoru, teplota paliva, množství kyseliny borité v chladivu a tlak. První tři ovlivňují reaktivitu záporně (např. zvýšením teploty klesá reaktivita), poslední tlak má vliv mírně pozitivní.

Pracující reaktor má nulovou reaktivitu. O regulaci počtu neutronů mezi palivovými proutky se starají kapalné a pevné absorbátory.

Regulace reaktoru spočívá v řízení průběhu řetězové štěpné reakce – ovlivňování množství neutronů v aktivní zóně v čase. Regulovat množství okamžitých neutronů, vznikajících bezprostředně při štěpení jader uranu, je velice obtížné z důvodu jejich krátké doby života (tepelný neutron setrvává v reakčním prostoru přibližně tisícinu sekundy). Změna neutronového toku po řídícím zásahu by byla velice prudká, rychlá. Při štěpení se ale všechny vzniklé neutrony neuvolní okamžitě, jisté procento neutronů se uvolňuje se zpožděním. Tak se v aktivní zóně vyskytují ještě tzv. zpožděné neutrony. Jsou to neutrony z radioaktivních přeměn štěpných produktů, které mají nižší kinetickou energii, ale hlavně jsou emitovány se zpožděním několika sekund až minut. I když jich je jen 1 %, prodlužují tzv. střední dobu života jedné generace neutronů a tím umožňují efektivní regulaci řetězové štěpné reakce v reaktoru, tzv. „na zpožděných neutronech“.

5